Software de impresión 3D:cómo lograr una verdadera producción digital

Las capacidades del software de impresión 3D están creciendo a medida que la industria continúa madurando.

Históricamente, el segmento de software de impresión 3D ha tendido a quedarse atrás del de hardware y materiales. Sin embargo, los emocionantes desarrollos de los últimos años muestran que este segmento se está poniendo al día rápidamente, lo que permite a las empresas crear diseños complejos más rápido, aumentar las tasas de éxito de impresión, garantizar la calidad de las piezas y administrar los flujos de trabajo de manera más eficiente.

Dado que el software es la clave para una producción viable con impresión 3D, echamos un vistazo a los desarrollos que lo hacen posible.

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Software de diseño y CAD:creación de herramientas específicas de AM

Hasta hace poco, el software de diseño asistido por computadora (CAD) no se había optimizado para los requisitos de diseño de la impresión 3D.

La fabricación aditiva (AM) ofrece los beneficios de una mayor complejidad de diseño. Sin embargo, estos beneficios vienen con la necesidad de un enfoque de diseño diferente, a menudo denominado Diseño para AM (DfAM).

Diseñar para AM ofrece desafíos y oportunidades únicos que no se encuentran en los métodos de diseño tradicionales. Implica la creación de nuevas prácticas de diseño, destinadas a la reducción de materiales y la exploración de características de diseño complejas.

Por lo tanto, requiere herramientas relevantes que permitan a los ingenieros aprovechar al máximo la flexibilidad de diseño de AM.

De forma lenta pero segura, estas herramientas han comenzado a aparecer en el mercado. El mayor impulso ha venido de las grandes empresas de software como Autodesk, Altair, Dassault Systems y PTC, que han estado desarrollando capacidades de diseño de AM dentro del alcance de sus soluciones CAD.

Por ejemplo, Autodesk, como parte de una importante inversión en tecnología AM, está ayudando a la preparación del diseño para la impresión 3D a través de su suite Netfabb.

Netfabb permite a los ingenieros importar, analizar y reparar modelos de una variedad de formatos CAD e identificar áreas que requieren soporte. Netfabb también se puede utilizar para generar estructuras de soporte de forma semiautomática y modificar modelos para que estén optimizados para la producción.

DfAM también ha sido reconocido como la próxima frontera para la plataforma Creo CAD de PTC. En la nueva versión, Creo 6.0 ofrece soporte integrado para el modelado geométrico especializado necesario para crear características de aligeramiento que incluyen espuma estocástica, celosías conformadas, celosías basadas en fórmulas y celosías personalizadas.

Además, la orientación de la construcción de impresión 3D y las estructuras de soporte se pueden analizar y optimizar en Creo 6.0, lo que ahorra tiempo tanto en la producción de la construcción como en el manejo posterior a la impresión, según la empresa.

Software de diseño avanzado

Un puñado de empresas también están desarrollando soluciones CAD específicamente para ingeniería avanzada. Un ejemplo es nTopology, que ha lanzado recientemente nTop Platform, desarrollada para resolver problemas de ingeniería donde la geometría es un cuello de botella.

Una solución computacional, nTop integra CAD, simulación y capacidades de fabricación asistida por computadora (CAM) para ayudar a los equipos de ingeniería a crear geometrías complejas y optimizadas.

Por ejemplo, los ingenieros pueden utilizar nTop para reducir el peso y maximizar el rendimiento de las piezas. También pueden aplicar múltiples condiciones de carga y optimizar para una variedad de criterios de rendimiento, que incluyen estrés, desplazamiento, rigidez y peso, el proceso conocido como optimización de topología.

Lo que también es interesante, es que el software es capaz de cortar piezas, evitando así archivos STL propensos a errores y exportando datos de fabricación directamente a las máquinas.

Otra empresa que va más allá del software de diseño de impresión 3D es Hexagon. A principios de este año, adquirió AMendate, un proveedor alemán de software de optimización de topología para AM. AMendate ahora se ha agregado a la rama de MSC Software de Hexagon, lo que resultó en el lanzamiento del software MSC Apex Generative Design.

La nueva solución de optimización del diseño mejora la calidad mediante la automatización de los procesos de diseño, combinada con conocimientos de fabricación integrados.

Se dice que el software produce un diseño de pieza, listo para AM en unas pocas horas, una fracción del tiempo que normalmente se requiere. Esto mejora la productividad hasta en un 80 por ciento, en comparación con las soluciones alternativas de optimización de topología.

“Si bien existen varias soluciones de software para la generación de diseños y se encuentran actualmente en el mercado, existen limitaciones en sus capacidades. Por ejemplo, su uso requiere mucho tiempo. También carecen de una automatización completa y los diseños que se pueden crear no son lo suficientemente complejos para los desafíos comerciales de la vida real ”, afirmó Thomas Reiher, cofundador de AMendate y ahora director de diseño generativo en MSC.

Las herramientas de diseño avanzadas, desarrolladas teniendo en cuenta los procesos de AM, serán clave para superar esos desafíos y permitir un mayor número de usos innovadores de la impresión 3D.

Presentamos alternativas de STL

Para poder imprimir en 3D un modelo diseñado, los ingenieros normalmente necesitan convertir el archivo CAD original a STL.

STL es actualmente el formato de archivo más popular para la impresión 3D, que describe un objeto tridimensional como una serie de triángulos enlazados (polígonos). A pesar de su popularidad, el formato de archivo tiene muchas limitaciones, que se vuelven aún más evidentes cuando se utiliza la impresión 3D para diseñar piezas de producción complejas.

Por ejemplo, STL no leerá los colores, texturas y otra información de diseño de su diseño original.

Además, los cambios realizados en el archivo STL no se reflejarán automáticamente en el archivo de diseño original en CAD, lo que agrega una capa de ineficiencia al proceso de diseño.

Por último, al modelar geometrías complejas o aumentar la cantidad de triángulos para mejorar la resolución, existe el riesgo de aumentar drásticamente el tamaño de un archivo STL hasta el punto en que es demasiado grande para que lo lean las impresoras 3D.

Para superar estos desafíos, la industria está trabajando en la creación de formatos de archivo alternativos. El más prometedor, hasta ahora, es 3MF, desarrollado por el Consorcio 3MF.

3MF permite a las impresoras 3D leer archivos de diseño CAD con total fidelidad, con los colores, texturas y otros datos de diseño previstos por el diseñador original. También está destinado a ser extensible y adaptable a la tecnología de impresión 3D emergente.

Software de simulación:predecir errores para mejorar la repetibilidad

El software de simulación sigue siendo un gran foco para el desarrollo de software de impresión 3D. La razón clave de esto es el potencial para reducir, o incluso eliminar, el enfoque de prueba y error que se utiliza actualmente para lograr resultados de impresión 3D repetibles.

La simulación se usa generalmente en la etapa de diseño para reproducir digitalmente cómo se comportaría un material durante el proceso de impresión. Significa que los resultados de la simulación pueden proporcionar información sobre cómo se puede optimizar un diseño para evitar fallas en la construcción.

Hoy en día, la mayoría de las soluciones de simulación están orientadas a la impresión 3D de metales. Esto se debe al hecho de que la tecnología conlleva una serie de desafíos técnicos complejos. Hay muchas variables que pueden afectar la construcción durante el proceso de impresión, por ejemplo, la trayectoria e intensidad del láser y el diseño de las estructuras de soporte.

La simulación ayuda a analizar los fenómenos complejos que ocurren durante el proceso de impresión 3D de metal y utiliza datos de simulación para planificar la construcción, seleccionando la orientación de la pieza y las estrategias de soporte más exitosas.

En 2019, hay muchas soluciones de simulación de AM, desde empresas más grandes como ANSYS y Siemens, hasta empresas de software más pequeñas que ofrecen únicamente soluciones dedicadas a AM, como Additive Works.

La empresa de software de ingeniería ANSYS es un ejemplo. Desde principios de 2019, la compañía ha lanzado tres actualizaciones importantes, que cuentan con muchas funcionalidades nuevas.

Una actualización que se destaca es ANSYS Additive Prep. Esta herramienta es parte de los paquetes de software ANSYS Additive Suite y ANSYS Additive Print.

Entre sus características está la capacidad de producir mapas de calor que ayudan a los ingenieros a predecir cómo las orientaciones de construcción AM impactan las estructuras de soporte, los tiempos de construcción, las distorsiones y el rendimiento general de impresión.

En la última versión R3, ANSYS Additive Prep también se ha mejorado con un nuevo procesador de compilación, que permite a los usuarios exportar un archivo de compilación directamente a una máquina AM, evitando así la necesidad de utilizar un archivo STL. También hay una herramienta para predecir los efectos del tratamiento térmico, en el horizonte para 2020.

Más recientemente, Altair ha lanzado una nueva solución de simulación de fabricación para AM llamada Inspire Print3D.

Dirigido específicamente a la fusión selectiva por láser (SLM), se dice que el software proporciona un conjunto de herramientas rápido y preciso para diseñar y simular el proceso de fabricación.

Las características clave del software incluyen la generación de estructuras de soporte dentro del mismo entorno que la pieza diseñada, simulación termomecánica avanzada para reducir el posprocesamiento y evitar errores costosos, identificación de grandes deformaciones, calentamiento y delaminación excesivos, y la capacidad de validar y crear archivos listos. para impresión 3D.

En el ámbito de la impresión 3D de polímeros, e-Xstream, que fue adquirida por MSC Software Corporation en 2013, es una de las pocas empresas que se dedican a las tecnologías de fabricación de polímeros y compuestos.

La empresa ha desarrollado la solución de software Digimat-AM para la simulación de los procesos FDM y SLS. El programa ayuda a predecir problemas de impresión, como deformaciones y compensar la distorsión. Además, la última versión de Digimat 2019.0 también ofrece una simulación de modelos de material reforzado con fibra para sistemas de materiales de DSM, Solvay Specialty Polymers y Stratasys Inc.

Como objetivo a largo plazo, e-Xstream se basará en su experiencia en el modelado de materiales para abordar la impresión de múltiples materiales.

Ser capaz de imprimir piezas en 3D correctamente la primera vez es uno de los factores clave que influirá en una mayor adopción de la tecnología. En el futuro, es probable que veamos que el software de simulación se combina con las capacidades emergentes de monitoreo en proceso. Esto permitirá a los ingenieros confirmar los resultados simulados esperados con datos de construcción en tiempo real y, en última instancia, lograr tasas de éxito de impresión más altas.

Sistemas de ejecución de fabricación aditiva:habilitación de la gestión y la trazabilidad del flujo de trabajo

En los últimos años, la impresión 3D ha comenzado a pasar de un proceso utilizado para la creación de prototipos y la fabricación de lotes pequeños, a la producción de lotes grandes. Este cambio ha revelado la necesidad de software que pueda ayudar a las empresas a administrar los crecientes volúmenes de producción y escalar sus operaciones de AM de manera más eficiente.

Esto ha llevado al surgimiento del software Manufacturing Execution System (MES), desarrollado específicamente para las necesidades de la industria AM.

El software MES ayuda a conectar los puntos en el flujo de trabajo de AM, ya sea la gestión de solicitudes, la programación de producción o la planificación de posprocesamiento. El objetivo general de MES es proporcionar el control necesario para una producción AM exitosa, maximizando las tasas de utilización de la máquina, introduciendo una mayor automatización y aumentando la trazabilidad.

Una tendencia clave que impulsa el crecimiento del segmento de software MES es la necesidad de una plataforma de extremo a extremo, lo suficientemente flexible como para adaptarse a los requisitos individuales de los departamentos de AM. Actualmente, muy pocas empresas ofrecen una solución de este tipo.

Introducción a la conectividad de la máquina

La conexión en red de máquinas y datos de máquinas también se está convirtiendo en un requisito importante, ya que las empresas digitalizan cada vez más sus operaciones. El software MES jugará un papel más importante al permitir esto, ya que permite que diferentes impresoras 3D se conecten en una plataforma.

Por ejemplo, AMFG ofrece conectividad de máquina con una variedad de sistemas AM, como EOS y HP. Significa que los usuarios del sistema de AM podrán gestionar todas sus operaciones de AM con el MES de AMFG, al mismo tiempo que se conectan directamente con sus máquinas a través de la plataforma de software.

La conexión de máquinas dentro de una única plataforma permitirá un flujo de datos sin interrupciones, lo que proporcionará la trazabilidad y escalabilidad necesarias para ayudar a impulsar la AM a la industrialización.

El software MES también está integrando gradualmente las funciones de otro software. Por ejemplo, algunas soluciones ofrecen la capacidad de reparar archivos STL y preparar modelos para imprimir.

Otro ejemplo es la integración de funciones de gestión de garantía de calidad (QA). La plataforma MES de AMFG, por ejemplo, permite a los usuarios importar documentación, ya sean informes, hojas de datos o imágenes en 3D, y compararlas con la parte física impresa en 3D, lo que garantiza que se cumplan los requisitos de control de calidad.

Al igual que el software de diseño, las plataformas MES se prestan para combinarse con soluciones de inteligencia artificial (IA).

Los flujos de trabajo de impresión 3D tienen una gran cantidad de datos, lo que significa que hay mucha información sobre el estado de los pedidos, los datos de la máquina y los materiales, que pueden (y deben ser), no solo monitoreados y recopilados, sino también analizados y sobre los que se actúa.

La integración de algoritmos de inteligencia artificial permite que el software analice los datos recopilados y sugiera dónde se podrían realizar mejoras en las operaciones de producción. En última instancia, puede proporcionar una mayor visibilidad de dónde se encuentran los cuellos de botella clave y cómo optimizar el proceso para lograr una mayor productividad.

Software de control de calidad

Numerosas empresas están trabajando para calificar las piezas impresas en 3D para poder utilizarlas en la producción. Actualmente, las dos formas más comunes de certificar una pieza que cumple con los requisitos de control de calidad (pruebas destructivas y tomografía computarizada) son costosas, requieren mucho tiempo, son un desperdicio y no siempre producen resultados precisos.

La forma más eficaz de ayudar al proceso de garantía de calidad es mediante la supervisión durante el proceso. Por lo general, el monitoreo en proceso implica la combinación de sensores y cámaras colocados dentro de una impresora 3D, con software que puede analizar los datos recopilados por los sensores y entregarlos de manera significativa.

Una empresa que ofrece esta combinación es Sigma Labs. Su paquete de software, llamado PrintRite3D®, incluye los módulos INSPECT, CONTOUR y ANALYTICS. Por ejemplo, el módulo INSPECT puede medir el charco de fusión (el charco de líquido de metal fundido que se produce mientras el láser calienta el polvo) para detectar y predecir anomalías.

El software PrintRite3D de Sigma Lab es una de las pocas soluciones de terceros. En la mayoría de los casos, los fabricantes de impresoras 3D de metal desarrollan software de control de calidad internamente. Sin embargo, la cantidad de máquinas integradas con el software de control de calidad sigue siendo decepcionantemente baja.

Por ejemplo, existen impresoras EOS 3D, que cuentan con la herramienta EOSTATE MeltPool y la impresora Sapphire 3D de VELO3D, que se integró recientemente con el nuevo software Assure.

La garantía de calidad se está convirtiendo en la nueva consigna en el mundo de la FA, ya que las empresas quieren acelerar la validación de piezas y, en última instancia, reducir la variación en el proceso de impresión. Significa que deberían aparecer más soluciones de software de control de calidad, y esta tendencia ya está comenzando a tomar forma lentamente.

Software de AM en el centro de atención:un segmento de rápida maduración

En comparación con el hardware, el desarrollo de software para AM ha sido históricamente más lento. También ha habido un número mucho menor de empresas de software de AM, lo que ha tenido un impacto en el nivel de innovación visto en este segmento.

Sin embargo, esto ha cambiado drásticamente en los últimos años, a medida que la industria continúa madurando y aparecen soluciones más avanzadas en el mercado. Desde CAD hasta simulación y soluciones de flujo de trabajo, el software se está desarrollando para llevar la AM a la producción de una manera más rápida y sencilla.

En el futuro, es probable que el ritmo de este progreso se acelere, lo que ayudará a la AM a convertirse en una verdadera solución de fabricación digital.